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1、工业以太网协议应用lihan导语：在网络的各个层上，随着自动化和控制工程师需要与网络打交道的时机越来越多，联网的愿望和需要也正在逐渐高涨。在网络的各个层上，随着自动化和控制工程师需要与网络打交道的时机越来越多，联网的愿望和需要也正在逐渐高涨。而且，以太网和工业以太网正在寻找自己的方式，以适用于工厂应用，并且随着相关技术的开展和改良，原始设备消费商OEM提供了具有更高频率的产品。以太网有可能简化到一个层线路和连接器，正如很多以太网协议一样，固然效劳于各种各样的工业需要，但使用的却是同一个网络。在监控和数据收集应用中，大多数工程师已经将以太网协议应用于数据收集与监视控制系统SCADA和工厂诊断、测
2、试以及维护，当使用以太网或者工业以太网时，他们经常选择TCP/IP和EtherNet/IP协议。工程师和其他部门的人员包括IT部门合作，共同完成一个系统。这些结论来自于近期ControlEngineering和ReedResearchGroup对ControlEngineering订阅者进展的调查，调查涉及工厂和原始设备消费商OEM对以太网和工业以太网的当前使用情况以及将来使用方案。align=center图1：工厂中以太网协议的用处各种各样，主要的应用是数据收集与监视控制SCADA、诊断、检测和维护/alignPatternsofuse对263名定购、推荐和/或者购置以太网协议和以太网产品的
3、客户进展邮件和网络调查，19%以上的人既将其应用于工厂又用来知足OEM要求，51%的人只用于工厂内，30%以上的人只用来知足OEM要求。三分之一的被调查者还没有组建或者使用网络跨职能团队。然而，对于那些具有跨职能团队的，通常60%的人员是工程师。包含在跨职能团队中的其他部门的有30%来自于IT部门，28%来自于工厂工程维护部门，20%来自于消费和工厂治理部门。受调查者被讯问了他们是怎样使用或方案怎样使用工业以太网。比拟普遍的答复是用于数据收集与监视控制系统SCADA63%和诊断、测试和维护49%。同样在应用领域列表前列的还有连续处理和批量加工37%，其中连续处理单独占32%，运动控制和自动设备
4、占32%，机器控制CNC设备占31%，物流设备占31%。见所有以太网协议使用情况附图。align=center图2：以太网协议应用最普遍的场合是监控或数据收集，和控制层面上/align当问及用户将怎样或者方案怎样使用以太网协议的时候，大多数人88%答复讲用于监控或者数据收集，84%的人用于控制领域，63%的人用于I/O数据传输，60%的人用于消费运营。同时提及的是企业级应用和传感器应用。具体资料见附图已经投运的和方案中的以太网连接包括：网络硬件设备79%、PLC硬件设备78%和PC机77%。对于那79%的网络硬件设备，有84%如今已经联网，16%方案在12个月内联网；对于PLC硬件设备，有80
5、%如今已经联网，20%方案在12个月内联网；对于PC机，有88%如今已经联网，12%预备联网。其他的应用还包括I/O产品和系统67%、可编程自动化控制器PACs56%、变频器49%和分布/混合式控制系统39%。选择一个协议受访者选择不同的以太网协议进展工业应用，本次调查也对受访者进展了相关调查。在10个以太网协议中，TCP/IP协议和EtherNet/IP协议高踞排行榜前列，73%的受访者表示会在这两种协议中选择使用，选择ModbusTCP协议的受访者也很多，几乎到达了半数47%。在其余的协议中，23.6%的受访者选择UDP协议，Profinet协议、高速以太网协议HSE分别到达20%。使用率
6、在10%附近或者低于10%的协议有：到达11.4%的SERCOS、到达10.6%的EtherCAT、到达8%的EthernetPowerlink和到达4%的FL-netOPCN-2，其他的选择稍高于7%。在文章结尾处有各种协议的百分比图很多的受访者88%已经在工厂中采用了工业以太网，而且几乎所有的人99%对它感到满足或者非常满足。大约1/3的受访者在2-5年前开场使用工业以太网，大约1/4的受访者在6-10年前就开场使用工业以太网了。14%的受访者已经使用工业以太网超过10年。12%的受访者预备在工厂中采用工业以太网，并且都将在2年内付诸理论。需求最高的特性在工业应用领域，速度是工业以太网或以
7、太网协议的诸多特性中需求最高的。94%的受访者陈述道他们需要高速的特性，其中95%以为高速重要、61%以为高速很重要。其他呼声较高的特性包括：能与现有以太网设备接口的才能86%；具有10/100BaseT/TX以太网物理介质86%；可购得使用该协议的设备85%。在这些特性中，几乎所有分别是99%、94%、98%的受访者都认可了这些特性的重要性。还有一些其他的特性，超过3/4的受访者提及了他们的重要性，包括可晋级性79%、是否可用于控制类应用79%、平安性79%、协议是否可以包容大量设备同时使用78%、将数据传送至上级系统的便捷性77%、是否具有在线培训77%、分布的体系构造76%、具有无线传输
8、的物理介质76%、是否可以用于监控类应用76%。受访者也对以太网协议的特性需求上反映了一些其他的重要信息。60%的受访者讲他们熟知哪一种协议需要搭配哪一种特性，超过1/427%的受访者讲他们对此知识丰富或讲他们是此方面的专家。超过半数58%的工业以太网的安装都是由控制工程师、工厂工程师或者操纵工程师完成的，有21%的工作是由第三方集成商完成的，7%的安装工作由参谋完成。TCP/IP：不是专业工业网络，却在工业应用中占了主导地位TCP协议在工业以太网应用中占据了主导地位，有73%的受访者正在使用或者预备使用TCP协议。它是最古老的协议，用最根本的Webopedia形式定义为“用来连接Intern
9、et上主机的通讯协议簇和“网络数据传输本质上的标准。Wikipedia描绘讲这个协议簇是“层的集合。通过使用下层提供的效劳，每一层都可以解决数据传输的相关问题并为上层协议提供明确的效劳。互联网工程工作小组IETF以为TCP/IP协议同样是一个占主导地位的协议。互联网工程工作小组是一个由网络设计者、操纵者、供给商和研究人员组成的团体，他们为了Internet体系构造的开展和Internet的正常运行而努力。互联网工程工作小组定期更新协议和网络拥塞控制算法，他们可以使互联网稳定运行。IETF的TCP维护和辅助扩展工作组TCPMWG继续进展维护破绽修补、用来保证TCP功能的协议和算法的适当改动、发布
10、标准版本、建立TCP路标。这个小组还讲将着手解决假装代码段所带来的连接中断、数据冲突或者性能上的问题。IETF中与TCP有关的小组正在对很多论题广泛征求意见，其中还包括TCP的强壮性。align=center图3：Ethernet/IP的网络体系构造，和其他CIP网络一样，遵循开放式系统互联模型OSI/alignEthernet/IP和DeviceNet同属于CIP家族73%的受访者表示他们正在使用或方案使用EtherNet/IP协议。EtherNet/IP协议是网络协议家族的一员，它的上层运行着通用工业协议。CIP协议是消费自动化领域内信息和效劳的一簇复杂集合，它包括控制、平安、同步、动作、
11、设置和信息。据称它是介质无关的，全世界上百家供给商都提供了对此协议的支持。CIP协议统一了制造性企业的通讯体系构造，并为消费自动化提供了众多上风：通过一个网络或使用一个网络作为多重分布式CIP网络的中枢，消费者-消费者效劳形式使用户可以实时控制、设置并从智能设备获取数据。它和标准的Internet协议兼容，和如同OPC的用于数据获取和交换的标准工业协议也兼容。与IEEEEthernet标准的兼容，知足了Ethernet网搭建经济上的考虑，为网络接口速度和灵敏的网络体系构造提供了多样的选择，包括铜、光纤、环状光纤和无线。它也对工业级仪表提供了多样的选择，使其可以将IP67等级的连接器M12到达R
12、J45与模组、网络状态显示灯合并，加之设备本身的标示，方便了用户的使用。align=center图4：Modbus是通用的、可晋级的、普及的网络物理媒介Ethernet与通用网络标准TCP/IP和厂商中立的数据表现形式的结合/alignModbus/TCP广泛应用48.5%的受访者正在使用或者方案使用Modbus/TCP协议。Modbus在1979年时被引入，它是通用的、可晋级的、普及的网络物理媒介Ethernet与通用网络标准TCP/IP和厂商中立的数据表现形式的结合。Ethernet502端口被分配给ModbusTCP/IP协议。Modbus是介质无关的，在Ethernet上通常使用光纤和
13、主流的无线技术Wi/Fi、无线电、GPRS和蓝牙。它为数据的交换提供了一个开放的可存取的网络平台，只要是支持TCP/IP套接字的设备都可以使用。从技术上讲，ModbusTCP/IP使用了Modbus指令集，并在外围使用了TCP/IP协议进展封装。只要有Modbus驱动，并对Ethernet和TCP/IP套接字有所理解，用户就可以在几个小时内使用最少的硬件将一台设备连线并于PC进展通讯。使用Modbus或ModbusTCP/IP协议是无需付费的，讲明书也可以免费从Modbus-IDA的网站下载modbus.org，安装指导也可以从此网站上下载，网站还为使用者和开发人员提供了一个可以自由讨论的动态
14、板块。使用者可以向多个供给商寻求支持。Modbus-IDAUDP：事务导向的协议接近四分之一23.6%的受访者正在使用或方案使用UDP。互联网工程工作小组IETF讲UDP用户数据报表协议使互联的分组交换式计算机可以以报表的形式进展通讯。UDP将Internet协议IP作为最根本的协议，为应用程序之间的信息交换提供一个方法，这个方法使用了最少的协议机制。此协议是事务导向的，因此并不保证传输和复制的平安性。假如应用案例要求进展数据流的有序、可靠的传输，那么应该使用传输控制协议TCP。UDP模块必须可以从网络地址中得到源地址和目的地址，并能从Internet报头中得到协议域。一个UDP/IP接口应该
15、可以根据指示，返回完好的Internet数据报，其中包括Internet报头。这个接口同样可以将一个带有报头的完好的Internet数据报发送到目的IP地址。此IP会对某些域进展一致性校验，并计算Internet报头的校验和。数据报拥塞控制协议DCCP是一个由IETF秘书处维护的官方章节。IETFalign=center图5：HSE合适作为控制中枢，可以支持现场总线的很多特性，包括复杂逻辑功能和数据密集型经过设备/align高速Ethernet是一条中枢20%的受访者正在使用或预备使用高速以太网HSE。现场总线基金会描绘讲，高速以太网HSE是关键任务应用场合的核心企业级集成技术。HSE是现场总
16、线基金会的高性能网络，其上运行着Ethernet和TCP/IP协议，是工厂控制中枢的理想选择。以100Mbit/s的速率运行，这个技术是为了设备和系统集成而设计的，具有数据效劳器集成技术，例如OPC基金会。它支持现场总线的各种特性，包括标准功能模块、电子设备描绘语言EDDL以及用于先进经过和离散/混合/批量特定应用的柔性功能块FFBs。HSE支持数据密集型经过设备的复杂逻辑功能，并且可以到达企业优化的无缝信息整合。HSE是一个国际标准IEC61158，它使来自不同供给商的控制器和网关设备可以协同工作。HSE设备中的柔性功能块FFBs可以用例如IEC61131-3中的编程语言进展描绘。HSE技术
17、的设计从底层开场，一直到用于关键任务监控和控制的容错网络以及容错设备。这个小组讲道，HSE网络和设备的全部或一局部可以作为备援，以到达特定应用场合所要求的容错等级。HSE是标准的以太网设备和配线协议。FieldbusFoundationalign=center图6：Profinet的特点之一是吸收了其他的现场总线，例如DeviceNet、基金会现场总线和Modbus。/align全能的Profinet协议Profinet的特点之一是吸收了其他的现场总线，例如DeviceNet、基金会现场总线和Modbus。大约20%的受访者正在使用或方案使用Profinet。Profinet据Profibus
18、行业组织PTO称是“全能的工业以太网，由于它几乎可以用于所有的自动化应用：离散的、流程、动作、对等网络集成、垂直整合、平安和其他应用。由于Profinet使用标准IEEE802.3以太网，它工作于IEEE802.11无线以太网，支持对无系留设备的控制，例如自动导航车辆。现有的带有Profisafe的无线设备据称能为两种技术提供动力。在动作控制应用中，Profinet可以在1ms内完成对150个轴的运动控制，而时间误差只有1ms，这使其可以用于要求苛刻的领域，如印刷行业。Profinet据称是唯逐一种工业以太网定义了工厂资产治理和制造执行系统要求的其他信息之间的通讯。据称，它通过将现有的Prof
19、ibus和其他现场总线无缝整合，来保护用户在现有工厂中设备和网络上的投资。除了能和Ethernet、TCP/IP、XML和OPC等工业标准接口，Profinet还是一个受PI组织支持的开放工业标准。ProfibusInternational组织PI是最老的也是最大的现场总线组织。PI同样支持现场总线节点安装的根底Profibus。ProfibusTradeOrganizationalign=center图7：使用SERCOSIII的基于FPGA的控制器/alignSERCOSIII精于动作控制略多于11%的受访者正在使用或方案使用SERCOSIII协议。SERCOS串行实时通讯系III工业以太
20、网协议固然减弱了之前版本对伺服、运动途径、循环和非循环通讯和同步机制的中枢才能，但却给原始的数字动作控制工业网络增加了新的特性。新版本支持现有软件驱动的便捷移植。与早期版本相比，SERCOSIII通过使用以太网物理层而不是交换机或集线器、使用低本钱的FPGA通讯控制器、使用Cat5e光缆等方法来减少本钱。他支持更高的数据传输速率100Mbit/sec，SERCOSII只有16Mbit/sec，减少最小周期31.25ms，SERCOSII只有61.5ms，支持标准以太网框架。新特性包括多重运动控制的同步和通讯；环和线上伺服设备的穿插通讯；具有用于容错的硬件备援，以防通讯环的中断；正在运行的连接和节点的热移除；用于驱动集成平安功能的平安通讯；缩短了的周期时间。非实时标准以太网框架可以并行转换到实时通道。控制器对控制器C2C同步和通讯协议用来连接使用SERCOSIII的动作控制器。